基于單片機的恒溫測控系統設計

關貴清，林建平，肖順根 （寧德師范學院物理與電氣工程系，福建 寧德352100）

恒溫箱可以用來控制溫度，在工農業及醫學等領域有著廣泛應用，其關鍵技術是利用恒溫測控系統來保持溫度的穩定，恒溫測控系統包括人工控制和自動控制2種恒溫測控系統［1－3］。為了避免人工控制恒溫測控系統控制溫度不穩定的缺點，筆者對基于單片機的恒溫測控系統進行了設計研究。

1 系統硬件設計

以高速單片機STC89C52為核心控制器件，采用數字溫度計芯片DS18B20構成測溫單元并將溫度顯示于1602液晶顯示器上，應用固態繼電器構建開關功放調節加熱器工作狀態，系統框圖如圖1所示。

1.1 STC89C52控制電路模塊

圖1 系統結構框圖

STC89C52單片機內部有4KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器，而且其I／O口也能夠滿足系統需求。STC89C52單片機最小系統模塊如圖2所示，其中P0口接10K的上拉電阻以便與顯示模塊進行通訊。

圖2 控制器模塊電路圖

1.2 鍵盤與溫度檢測模塊電路

鍵盤和溫度檢測模塊電路圖如圖3所示。采用4×4矩陣鍵盤接單片機P1口，利用DS18B20模塊對水溫進行采樣，并與單片機通訊以實現對水溫的控制。

1.3 繼電器模塊電路

繼電器模塊電路主要控制加熱器的通斷，其與單片機的P2.6口進行通訊（見圖4）。

1.4 1602液晶顯示模塊電路

1602液晶顯示模塊按照總線接法來連接，其數據口接單片機的P0口 （見圖5）。

圖3 鍵盤與溫度檢測模塊電路圖

圖4 繼電器模塊電路圖

圖5 1602液晶顯示模塊電路圖

2 系統軟件設計

以傳統的PID控制算法為核心，通過實驗測試的方法獲得控制參數范圍，然后應用試湊法進行參數設定，最終達到較為快速、精確的控制。相關程序采用C語言編寫。

2.1 PID算法

模擬PID控制系統原理框圖如圖6所示。PID控制系統是將給定值r（t）與實際輸出值c（t）的偏差的比例 （P）、積分（I）、微分 （D）通過線性組合構成控制量，從而對控制對象進行控制。PID控制系統各校正環節類型及其作用如下［4－5］：①比例環節。即時成比例地反應控制系統的偏差信號e（t），偏差一旦產生，調節器立即產生控制作用以減小偏差。②積分環節。主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。③微分環節。能反應偏差信號的變化趨勢 （變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度并減小調節時間。

圖6 模擬PID控制系統原理框圖

2.2 系統軟件設計

采用循環查詢方式來顯示和控制溫度，系統主要工作流程的程序如下：

3 試驗分析

用繼電器模塊控制加熱器對1L水進行加熱，用鍵盤設定需加熱溫度值，觀察1602液晶顯示器所顯示的穩定時的水溫值和環境溫度降低時溫度控制的靜態誤差。多次調試并設定PID參數改善系統。試驗結果如表1所示。從表1可以看出，溫度設定范圍為20～80℃，最小區分度達到0.1℃；1602液晶顯示器顯示水的實際溫度和設定溫度值均很穩定，且溫度穩定時，溫度控制的靜態誤差≤0.5℃。

表1 測試數據表

4 結 語

設計的自動恒溫控制系統采用了DS18B20單總線數據傳輸方式，并且合理搭建了STC89C52單片機平臺。采用傳統PID算法，使被控對象的溫度具有響應時間小、超調量少、控制精度較高、穩定性較好等優點。因此，該系統可以廣泛應用在電熱水壺、熱水器、暖水壺等小家電上，具有良好的市場開發前景。

［1］孫梅，王彥良 .自動控制原理及應用 ［M］.北京：北京交通大學出版社，2007.

［2］譚浩強.C語言程序設計 ［M］.北京：清華大學出版社，2005.

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［4］羅杰，謝自美 .電路線路 ［M］.第4版 .北京：電子工業出版社，2008.

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